close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Critical Chaos;doc

код для вставкиСкачать
ТЕЛА
ВЕЩЕСТВО
Миллисекунды Микросекунды Наносекунды Пикосекунды
АТОМЫ
Фемтосекунды Аттосекунды
АТОМНЫЕ ЯДРА
Зептосекунды Йоктосекунды
1 мс = 10–3 с
1 мкс = 10–6 с
1 нс = 10–9 с
1 пс = 10–12 с
1 фс = 10–15 с
1 ас = 10–18 с
1 зс = 10–21 с
1 ис = 10–24 с
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 взрывы
 ударная деформация тел
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 развитие трещин
 разрушение напряженных материалов
 биофизические явления
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 время жизни возбужденных состояний
атомов
 перескоки атомов по поверхности тел
 процессы в крупных молекулах
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 вращение молекул
 переходные процессы в полупроводниках
 образование и разрыв химических связей
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 самые быстрые химические реакции
 фемтомагнетизм: изменение магнитных
свойств вещества при поглощении
короткой лазерной вспышки
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 движение внутренних электронов
в тяжелых атомах
 вылет электрона из атома
при поглощении фотона
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 ядерные реакции
ЧИСЛА
 ~ 100 нс — формирование трещин
при разрушении хрупкого материала
 10 нс — колебание электрического
и магнитного полей в радиоволне
с частотой 100 МГц (FM-диапазон)
 1/4 нс — время между столкновениями
молекул газа при нормальных условиях
ЧИСЛА
 200 пс — рабочий цикл процессора
с тактовой частотой 5 ГГц
 < 100 пс — ультразвуковые волны
с таким периодом распространяются
в воде почти вдвое быстрее, чем
обычный звук
 около 1 пс — время жизни тяжелых
элементарных частиц: «очарованных»
и «прелестных» адронов
ТИПИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
 рождение и распад самых
нестабильных элементарных частиц
 возникновение и распад кваркглюонной плазмы в столкновении
тяжелых ядер
ЧИСЛА
 < 200 фс — спустя такое время
светочувствительные белки родопсины
начинают реагировать на свет
 10–20 фс — период колебаний
молекулы воды
 1,5–3 фс — период колебания
электрического и магнитного полей
в световой волне
ЧИСЛА
 сотни аттосекунд — время
перестройки электронной структуры
атома при выбивании из него
внутреннего электрона
 < 80 ас — самые короткие импульсы
излучения в далеком УФ-диапазоне
 2 ас — время жизни нейтронодефицитных
изотопов сверхтяжелого 124-го элемента
ЧИСЛА
 сотни миллисекунд — вспышка молнии
 200 мс — время реакции человека
на визуальный сигнал
 < 20 мс — время высвечивания кадра
в телевизорах и мониторах
 ~ 1 мс — длительность нервного импульса
1
ЧИСЛА
 250–500 мкс — самая короткая выдержка
в типичных цифровых фотокамерах
 5–10 мкс — время полного сворачивания
коротких белковых молекул
2
ФОНОНЫ —
синхронные волнообразные колебания
атомов кристаллической решетки.
Их типичный период лежит
в пикосекундном диапазоне.
3
4
M
ПАДЕНИЕ КАПЛИ ВОДЫ
с высоты 3 см на гладкий стол. Удар об него
порождает рябь, которая бежит
по поверхности капли.
МОЛЕКУЛА БЕЛКА ВИЛЛИНА
полностью сворачивается в наиболее
энергетически выгодную форму примерно
за 5 мкс. С помощью современных
суперкомпьютеров этот процесс удается
полностью проследить в численном
моделировании.
I
L
Гелий
4
C
+
ЧИСЛА
 десятки йоктосекунд — время жизни
кварк-глюонной плазмы
 5–10 ис — самая короткая световая
вспышка (фотоны, рожденные при
столкновении двух ядер сверхвысокой
энергии)
 0,3 ис — время жизни топ-кварка
Реакция
синтеза
Нейтрон
n
Первичный
электрон
ОЖЕ-ЭФФЕКТ
Фотон большой энергии выбивает из атома
внутренний электрон. На пустующее место
тут же «падает» один из внешних
электронов, испуская при этом фотон.
Этот фотон может поглотиться прямо
внутри того же атома, выбивая наружу
еще один электрон.
ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ
не лежат неподвижно на поверхности
кристалла, а перемещаются по ней
прыжками, пока не попадут в «яму» или
не слипнутся друг с другом. При комнатной
температуре время между прыжками —
порядка нескольких наносекунд.
He
+
+
Тритий
T
+
K
Внешний
фотон
+
D
Ядро
NaI
Na+
+
Дейтерий
Ожеэлектрон
ДИССОЦИАЦИЯ МОЛЕКУЛЫ ЙОДИСТОГО НАТРИЯ
Получив энергию, достаточную для
разрыва химической связи, молекула
вначале совершает несколько колебаний
и лишь затем разваливается на отдельные
атомы.
[NaI]
ЧИСЛА
 десятки зептосекунд — длительность
самых быстрых реакций деления
сверхтяжелых ядер
 4 зс — время жизни
нейтроноизбыточного ядра 10He
РЕАКЦИЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
Ядра дейтерия и трития сливаются
и на выходе дают альфа-частицу
(ядро гелия-4) и нейтрон.
ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ ДВУХ ЯДЕР ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ
рождается сверхгорячий и сверхплотный
комок ядерной материи — кварк-глюонная
плазма, которая спустя короткое время
распадается на обычные частицы.
M
Y
CM
MY
CY
CMY
K
ОДНА СЕКУНДА — это мгновение для человека и целая эпоха с точки зрения атомов и электронов.
В веществе возникают и затухают колебания, атомы дрожат и обмениваются электронами, в атомных
ядрах непрерывно сталкиваются протоны и нейтроны — и всё это умещается в крошечный осколок одной
секунды. Современная физика, словно замедляя бег времени в миллиарды раз, позволяет заглянуть в этот
мир быстропротекающих процессов.
Методы изучения быстропротекающих процессов
ФОТО- И ВИДЕОСЪЕМКА
МЕТОД НАКАЧКИ-ЗОНДИРОВАНИЯ
МЕТОД ТЕНЕЙ
СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ
ПРОЦЕССЫ, ДЛЯЩИЕСЯ ЕДИНИЦЫ МИЛЛИСЕКУНД, МОЖНО ЗАПЕЧАТЛЕТЬ
НА ОБЫЧНЫЙ ФОТОАППАРАТ. Минимальная выдержка в хороших цифровых камерах
составляет долю миллисекунды. Для изучения микросекундных явлений используют
специальные сверхскоростные видеокамеры, позволяющие делать сотни тысяч кадров
в секунду. Рекорд на 2010 год: 6 миллионов кадров в секунду.
ЭТО ГЛАВНЫЙ СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ ЯВЛЕНИЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ МЕНЬШЕ
МИКРОСЕКУНДЫ. Рабочий инструмент метода — очень короткий лазерный импульс.
На его пути ставится полупрозрачное зеркало, разделяющее его на два импульса
(«импульс накачки» и «зондирующий импульс»), которые идут по двум разным путям
и попадают на изучаемый объект. Мощный импульс накачки запускает в объекте
какой-то процесс (например, колебание атомов), а тут же пришедший зондирующий
световой импульс как бы запечатлевает состояние объекта спустя ничтожное время
после начала процесса.
ЭТОТ МЕТОД ИСПОЛЬЗУЮТ ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЯДЕРНЫХ
РЕАКЦИЙ. Атомное ядро на большой
скорости влетает в кристалл,
сталкивается с одним из ядер вещества,
сливается с ним и на короткое время
порождает тяжелое нестабильное ядро.
ВРЕМЯ ЖИЗНИ САМЫХ НЕСТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ НЕ ПРЕВОСХОДИТ
ОДНОЙ ЙОКТОСЕКУНДЫ. Такие частицы рождаются в столкновениях обычных частиц
и тут же распадаются. Столь короткие времена удается измерить только косвенно —
с помощью соотношения неопределенностей. Это квантовое соотношение гласит: если
частица живет очень мало, то ее масса должна быть не строго фиксирована, а «размазана»
в некотором интервале. Неопределенность массы можно измерить экспериментально, и
чем она больше, тем меньше время жизни частицы.
Но это — однократный «снимок». Чтобы увидеть развитие процесса во времени, на пути
одного из лучей стоит устройство, способное задерживать световой импульс на короткое
время (нано-, пико- или фемтосекунды). В результате два импульса попадают на объект
с легко настраиваемой задержкой по времени. Повторяя эксперимент много раз
с разными задержками, можно получить серию снимков и увидеть процесс в динамике.
Лазер
На изображении показаны последовательные кадры микроскопического взрыва
на поверхности кристалла под действием мощного лазерного импульса. Интервал между
кадрами составляет 163 нс.
детектор
область тени
d
дочерние
частицы
Полупрозрачное зеркало
Короткий
лазерный
импульс
Задержка
импульса
Луч накачки
атомы
кристалла
Луч
зондирования
Образец
возбужденное ядро
Из-за закона сохранения импульса оно
продолжает лететь вперед и распадается
уже не в самой плоскости кристалла,
а сбоку от нее на расстоянии d.
При распаде ядра дочерние частицы
могут вылетать в разные стороны, но
если d очень мало, они не смогут лететь
ровно вдоль плоскостей кристалла,
а будут отклоняться на какой-то угол.
В результате детектор, регистрирующий
продукты распада, увидит самую
настоящую тень от кристаллической
плоскости. Чем быстрее распадается
ядро, тем меньше d и тем сильнее видна
тень.
Нестабильная
частица
Некоммерческий проект | При поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»
Узнайте больше на сайте
http://elementy.ru/posters
© ИГОРЬ ИВАНОВ — автор плаката, 2011. © ОЛЬГА ПРИВАЛОВА, ФЕДОР ШУМИЛОВ — дизайн, иллюстрации, 2011.
Сверхзвуковая пуля разбивает горящую лампу накаливания за долю миллисекунды. В точке,
где пуля впервые касается стекла, возникает область высокого давления. За считанные
микросекунды она превращается в сеть трещин. Всё это происходит так быстро, что нить
накаливания не успевает остыть и, даже оторванная, продолжает светиться. Ток в нити
прекращается спустя долю наносекунды после отрыва, но электроны и ионы нагретого
вещества продолжают сталкиваться и излучать свет — колебания электромагнитного поля
с периодом несколько фемтосекунд.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа